TSN交换机技术方案系列

TSN交换机技术系列1：使用SW1100TSN交换机构建低成本自动驾驶方案
TSN交换机技术系列2：使用SW2000TSN增加激光雷达接入端口
TSN交换机技术系列3：使用SW3000R TSN提供大规模TSN网络架构，同时支持HSR/PRP RedBox功能
TSN交换机技术系列4：使用SW2000R TSN交换机构建多激光雷达与高清摄像头数采机器人方案
TSN交换机技术系列5：采用多个激光雷达方案必须使用TSN交换机边界时钟才不会丢包

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TSN网络边界时钟才是归宿

前言

TSN时间敏感网络系统有两种时钟方案，一种为TC-透明时钟，另一种为BC-边界时钟。 ‌而怎样才能决定使用透明时钟还是使用边界时钟呢？如何判断采用的时钟方案时候系统应用呢？

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一、什么是透明时钟和边界时钟

1.1 透明时钟(TC)

透明时钟(TC)实际就是只扮演转发功能的交换机，只是在转发的过程中，需要将同步报文在交换机内部的驻留时间加入到时间同步计算结果里面。这是在应用中的一般要求，实际在各位应用中采用的普通交换机，只实现了实际报文的转发功能，并没有将驻留时间加入到报文里面，这将大大的引入时间偏差，使系统偏差的调整难度加大。

1.2 边界时钟(BC)

边界时钟(BC)时间是真正意义上在TSN网络扮演核心部件作用的，它是TSN网络的核心节点，负责整个网络的时间继承和分发。通俗点说，就是边界时钟先被上游的主时钟同步，然后其其他的端口就变成了很多个与上游主时钟一样的主时钟的复制品，也就是将一个主时钟复制成了多个主时钟了。这样的多个主时钟可以分别为下游的从时钟节点分别进行授时。

二、为什么多激光雷达必须使用边界时钟

2.1 采用透明时钟为出现什么问题

计算平台接入一台激光雷达，计算平台作为主时钟给激光雷达直接授时，这种应用例如扫地机器人，小型机器狗，机器车等。这种应用只有一个需要时间同步的节点，采集范围小，同步精度要求不高，扫描精度要求不高，数据帧处理不严格的应用场合，这样使用透明时钟就足够的。
gPTP核心点时P2P-点对点的授时，这样交换机其实只是转发主时钟发出的时间报文，在其中不扮演授时的角色，这样的交换机无异于“傻瓜交换机”或非管理交换机，这样的交换机一般比较便宜，只是简单的报文转发。
但是，当系统精度要求提供，系统更加复杂时，需要接入更多的激光雷达，或需要接入更多的时间同步模块和设备。交换机的多个端口都有了授时的需求，这样普通交换机将无法满足要求。
这样如果仍然使用透明时钟，短时间可能看不到问题，时间越长，时间同步就会崩溃，直至时间戳错乱。因为主时钟发生sync和follow up报文，每个节点都收到了，同时，每个从节点都会向主时钟发pdelay request报文，主时钟只会在一个周期响应一个pdelay request，这样短时间看似所有节点都同步了，实际上主时钟返回的pdelay response和pdelay response follow up报文包含的时间信息是哪一个节点的，这个从时钟根本无法区分，这样导致从时钟节点在错误的纠正自己的时间戳，导致系统时间同步失效，最终崩溃。

2.2 采用边界时钟如何实现

边界时钟是如何解决时间同步错乱的问题呢？
咱们从边界时钟的工作原理说起。以SW2000TSN交换机为例，如果需要设置为边界时钟方案，需要使用配置工具将其一个端口设置为slave从时钟，将其他端口设置为master主时钟。
这样，SW2000TSN的从时钟端口需要接外部祖时钟，这样使SW2000TSN交换机内部时钟与外部主时钟进行时间同步。而其他端口都是主时钟，接下游需要被同步的设备，即从时钟设备，如激光雷达、计算平台、毫米波雷达，其他需要被同步的传感器和模块。这些从时钟设备就可以单独与SW2000TSN的某一个主时钟端口进行时间同步。
这样采符合了gPTP的P2P时间同步要求，实现点对点的授时，让每一个从时钟节点与单独的一个主时钟端口实现纳秒级的时间同步。

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三、应用案例

如下为一个典型的边界时钟时间同步方案，系统采用Orin AGX作为计算平台，采用4台速腾激光雷达，4个大陆毫米波雷达，1个GNSS祖时钟设备。

总结

综上所述，如果需要在系统里面接入多个激光雷达，或多个需要时间同步的设备，就必须在系统使用BC边界时钟作为gPTP时间桥。这样才能避免系统时间同步将崩溃，避免激光雷达丢包，系统时间戳错乱等问题。